Det bevægende Mars-buechok

Da solvindens energetiske partikler hastighed gennem det interplanetariske rum, deres bevægelse modificeres af objekter på deres vej. Et studie, baseret på data fra ESA's Mars Express orbiter, har kastet nyt lys over et overraskende samspil mellem planeten Mars og supersoniske partikler i solvinden.

Forskere har længe været klar over, at et træk kendt som et bovchok dannes opstrøms for en planet - ligesom stævnen på et skib, hvor vandet bremses og derefter ledes rundt om forhindringen.

Bovstødet markerer en ret skarp grænse, hvor solvinden pludselig bremses, da den begynder at pløje ind i en planets magnetosfære eller ydre atmosfære.

I tilfældet Mars, som ikke genererer et globalt magnetfelt og har en tynd atmosfære, den største hindring for solvinden er ionosfæren – et område med elektrisk ladede partikler i dens øvre atmosfære.

Desuden, den relativt lille størrelse, Mars' masse og tyngdekraft muliggør dannelsen af ​​en udvidet exosfære - det yderste lag af atmosfæren, hvor gasformige atomer og molekyler flygter ud i rummet og interagerer direkte med solvinden.

Observationer foretaget af talrige rumfartøjer gennem mange årtier har vist, at variationer i ionosfæren og exosfæren spiller en rolle i ændringer i placeringen af ​​buechokgrænsen.

Som forventet, Marsbovstødets afstand fra planeten øges i takt med, at solvindens dynamiske tryk aftager. Dette er snarere som en svækkelse af bovbølgen foran et skib, når vandets strømning aftager.

På den anden side, stigninger i afstanden til Mars-buechokket falder sammen med stigninger i mængden af ​​indkommende solstråling ved ekstreme ultraviolette (EUV) bølgelængder. Følgelig, hastigheden, hvormed ioner og elektroner produceres fra atomer og molekyler i den øvre atmosfære, stiger. Dette resulterer i øget termisk tryk i ionosfæren, gør det i stand til bedre at modvirke den indkommende solvindstrøm.

På samme tid, nyskabte ioner inden for den udvidede exosfære opfanges og accelereres af de elektromagnetiske felter, der bæres af solvinden. Resultatet er en opbremsning i solvinden og et skift i buestødets position.

En anden mulig faktor til at påvirke bovchokkets placering er Mars' kredsløb. Planetens afstand fra Solen er meget mere elliptisk end Jordens, spænder fra 206 millioner km til 249 millioner km – en forskel på 20 procent.

Et hold europæiske videnskabsmænd har undersøgt, hvordan og hvorfor bovchokkets placering varierer i løbet af Mars-året. I et papir offentliggjort online i 21. november 2016-udgaven af Journal of Geophysical Research:Space Physics , holdet har analyseret mere end fem års Mars-års målinger fra Mars Express Analyzer of Space Plasma and EneRgetic Atoms (ASPERA-3) Elektronspektrometer (ELS) for at identificere 11 861 bovchokkrydsninger. Dette er den første analyse af buechokket, der er baseret på data opnået over en så lang periode og under alle Mars-sæsoner.

Når Mars Express krydser Mars-buechokket, registrerer ELS-instrumentet typisk en pludselig stigning i flux af elektroner over en bred vifte af energier (typisk op til et par hundrede eV).

Forskerne opdagede, at gennemsnitlig, buestødet er tættere på Mars nær aphelion (planetens fjerneste punkt fra Solen), og længere væk fra Mars nær perihelion (planetens nærmeste punkt på Solen). Buechokkets gennemsnitlige afstand fra Mars, målt ovenfra når terminatoren (dag-nat-grænsen) et minimum på 8102 km omkring aphelium, mens dens maksimale afstand på 8984 km forekommer omkring perihelium. Dette er en samlet variation på cirka 11 procent under hver Mars-bane.

Holdet bekræftede også tidligere fund om, at buechokket på den sydlige halvkugle er, gennemsnitlig, ligger længere væk fra Mars end på den nordlige halvkugle. Imidlertid, denne hemisfæriske asymmetri er lille (en total afstandsvariation på 2,4 procent), og de samme årlige variationer i buestødet forekommer uafhængigt af halvkuglen.

Solvindtæthed (og, derfor, dynamisk tryk), styrken af ​​det interplanetariske magnetfelt, og solbestråling, forventes alle at reducere med afstanden fra Solen. Da disse parametre påvirker bovstødets placering på forskellige måder, holdet ønskede at finde ud af, hvad der er den dominerende faktor gennem hele Mars-året.

Deres noget overraskende opdagelse var, at bovstødets placering er mere følsom over for variationer i solens EUV-output end over for solvinds dynamiske trykvariationer.

Dette kan i høj grad skyldes EUV's velkendte indvirkning på ionosfærens tæthed og termiske tryk, og udvidelsen af ​​exosfæren (se ovenfor). Disse processer skaber buffere mod solvinden.

Imidlertid, variationerne i bovstødafstanden korrelerer også med årlige ændringer i mængden af ​​støv i Mars atmosfære. Støvstormsæsonen på Mars opstår omkring perihelium, når planeten er varmere og modtager mere solstråling.

"Støvstorme har tidligere vist sig at interagere med den øvre atmosfære og ionosfæren på Mars, så der kan være en indirekte kobling mellem støvstormene og bovstødets placering, " sagde Benjamin Hall, hovedforfatter af papiret, som indtil for nylig var på University of Leicester, og er i øjeblikket forsker ved Lancaster University, Storbritannien.

"Imidlertid, vi drager ikke yderligere konklusioner om, hvordan støvstormene direkte kan påvirke placeringen af ​​Mars-buechokket og overlader en sådan undersøgelse til en fremtidig undersøgelse.

"Det virker sandsynligt, at ingen enkelt mekanisme kan forklare vores observationer, men snarere en kombineret effekt af dem alle. På dette tidspunkt kan ingen af ​​dem udelukkes.

"Fremtidige undersøgelser af sammenhænge mellem atmosfærisk støvbelastning og Mars øvre atmosfære er nødvendige, involverer fælles undersøgelser af ESA's Mars Express og Trace Gas Orbiter, og NASAs MAVEN-mission. Tidlige data fra MAVEN ser ud til at bekræfte de tendenser, vi opdagede."

"Lignende undersøgelser blev foretaget af ASPERA-instrumentet, der blev fløjet ombord på Venus Express orbiter, gør os i stand til at sammenligne fysiske processer og forhold på to meget forskellige planeter, der begge har svage magnetfelter, sagde Dmitri Titov, ESA's Mars Express Project Scientist.

"Dette demonstrerer værdien af ​​at bruge den samme instrumentering til at udforske forskellige verdener."